数字信号中ad转换技术的发展

数字信号中ad转换技术的发展

a-d转换是将模拟输入信号转换为n位数字输出信号的过程。伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展,A/D转换器近年也呈现高速发展的趋势。数字化浪潮推动了A/D转换器不断变革,现在,在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不使用到A/D转换器,可以说,A/D转换器已经成为人类实现数字化的先锋。自1973年第一只集成A/D转换器问世至今,A/D、D/A转换器在加工工艺、转换精度、采样速率上都有长足发展,现在的A/D转换器的精度可达28位,采样速率超过10GSPS。不管怎么发展,A/D转换的原理和作用都是基本不变的。1间接转换型a/d转换A/D转换器发展了30多年,经历了多次的技术革新,从并行、逐次逼近型、积分型ADC,到近年来新发展起来的型和流水线型ADC,它们各有其特点,能满足不同的应用场合的使用。(1)逐次逼近型。逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用,它是按照二分搜索法的原理,类似于天平称物的一种模数转换过程。逐次逼近型转换方式的转换结构如图1所示。它包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器(SAR)和1个逻辑控制单元。它是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压不断进行比较,1个时钟周期完成1位转换,N位转换需要N个时钟周期,转换完成,输出二进制数。这一类型ADC的分辨率和采样速率相互矛盾,分辨率低时采样速率较高,要提高分辨率,采样速率就会受到限制。优点:分辨率低于12位时,价格较低,采样速率可达1MSPS;与其它ADC相比,功耗比较低。缺点:由于需经过多次比较才能得到转换结果,这类ADC的转换速率不可能做得很高。此外,这种转换方式需要数模转换电路,由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络,故精度不会很高。(2)积分型。积分型A/D转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用,特别是在数字仪表领域。积分型A/D转换技术有单积分和双积分两种转换方式:单积分A/D转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔,然后再对时间间隔记数,从而间接把模拟量转换成数字量的一种A/D转换方法,它的主要缺陷是转换精度不高,主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定型的影响,目前已很少采用。为了提高积分型A/D转换器的转换精度,可采用双斜率或多斜率型转换方式。该类ADC的转换结构如图2所示。它由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器、1个计数单元和1个逻辑控制单元构成,通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D转换;双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分,部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差,提高了转换精度。双积分型转换方式的特点表现在:精度较高,可以达到22位,抗干扰能力强,由于积分电容的作用,能够大幅抑止高频噪声。但是,它的转换速度太慢,转换精度随转换速率的增加而降低,每秒100～300次(SPS)对应的转换精度为12位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。优点:由于输入端采用了积分器,能够抑制高频噪声和固定的低频干扰(如50Hz或60Hz),适合在嘈杂的工业环境中使用。分辨率高,可达22位;功耗低、成本低。缺点:转换速率低,转换速率在12位时为100～300SPS。(3)并行比较型。在所有的A/D转换中,并行比较型转换方式是转换速度最快的A/D转换器。并行转换是一种直接的A/D转换方式,它大大减少了转换过程的中间步骤,每一位数字代码几乎在同一时刻得到,因此,并行转换又称为闪烁型转换方式。以三位并行比较型为例的转换器结构如图3所示。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快,采样速率能达到10GSPS以上,特别适合于图象处理和数字示波器等高速转换领域。因为一个N位的并行转换器,需要2N-1个比较器和2N个分压电阻,随着分辨率的提高,输出数字每增加一位,精密电阻数量就要增加一倍,比较器也将近增加一倍。由于受到功率和体积的限制,并行比较ADC的分辨率难以做得很高。优点:转换速率最高,目前4位转换精度的转换速率可达10GSPS以上。缺点:分辨率不高、功耗大、成本高。(4)压频变换型。压频变换型转换方式是通过间接转换方式实现A/D转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。优点:精度较高、价格较低、功耗较低。缺点:类似于积分型ADC,其转换速率受到限制,12位时为100～300SPS。(5)过采样∑△型。过采样∑△模数转换是近十几年发展起来的一种A/D转换方式,目前在音频领域得到广泛的应用。过采样∑△型ADC由∑△调制器和数字抽取滤波器两部分构成,其结构如图4所示。∑△调制器主要完成信号抽样及增量编码,它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑△码;数字抽取滤波器完成对∑△码的抽取滤波,把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。过采样∑△型ADC有着极高的精度,可达28位以上。优点:分辨率较高,高达28位以上;转换速率高,高于积分型和压频变换型ADC;价格低;内部利用高倍频过采样技术,实现了数字滤波,降低了对传感器信号进行滤波的要求。缺点:高速∑△型ADC的价格较高;在转换速率相同的条件下,比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。(6)流水线型。流水线型转换方式是对并行转换方式进行改进而设计出的一种转换方式。它在一定程度上既具有并行转换高速的特点,又具有逐次逼近型结构简单的特点,从而解决了制造困难的问题。流水线型ADC由若干级级联电路组成,每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路,其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器,每级的内部结构如图5所示。以8位的两级流水线型为例,它的转换过程是:首先进行第一级高4位的并行转换,得到高4位结果;然后把输入的模拟信号与第一级转换后数字信号所表示的模拟量相减,得到的差值送入第二级并行转换器,再得到低4位结果,转换结构如图6所示。除了两级的流水线型转换方式外,还有第三、第四甚至更多级的转换器,将各级的输出组合起来即构成高精度的n位输出。优点:精度较高,可达16位左右;转换速度较快,16位的ADC速度可达5MPSP,较逐次比较型快;功率较低。缺点:基准电路和偏置结构过于复杂;输入信号需要经过特殊处理,以便补偿数级电路造成流水延迟;对锁存定时的要求严格;对电路工艺要求很高,电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。2参数特性分析由于模数转换器在数字多媒体电子系统中应用的扩大,其市场呈稳步增长趋势。同时人们对转换器性能的要求越来越高,其技术难度越来越大,但是对模数转换技术的研究开发更加活跃,不断将产品向更高性能推进。如今,模数转换技术已经变得复杂多样,但由以上分析可以看出,它有着如下的发展趋势:(1)结构不断简化。一方面减少制作难度相对较大、在芯片中特性匹配要求较高的部件的数量,减少高速比较器、宽带运放、精密电阻等(如由全并行方式发展到两级流水型、多级流水型):另一方面减少模拟部件,尽可能多地采用成熟的数字电路(如新发展的∑△结构)。(2)转换速度提高。如今采用并行比较型转换方式的ADC的采样速度可达10GSPS。两级流水型AD